基于RS485总线的闸门多数据监控系统研究

2014-04-01穆清萍谢少伟

机电信息 2014年33期

穆清萍谢少伟

（浙江水利水电学院，浙江杭州310018）

0 引言

随着信息化在水利行业的不断推广，闸门自动化监控也日益受到重视，其对水资源的合理调配、闸门启闭效率的提高具有重要意义。同时，随着各类控制器、传感器智能化程度的提高，基于现场总线构建闸门监控系统已十分方便。本文即基于RS485总线，设计一种闸门多数据监控系统，除传统的开度、荷重等闸控信号外，还实现了水文、三相电压、电流、闸门启闭图像、环境温湿度等数据采集，在实现闸门监控的同时可以利用RS485总线构建一个水文监测点，以节省水文监测所需的通信线路建设与使用成本。

1 系统构成

图1为基于RS485总线的闸门多数据监控系统结构框图。其中PLC、开度仪（包括开度及载荷传感器）、电气控制系统（包括电机执行机构）、远程PC机是传统的闸门远程监控系统的基本构成。在此基础上，还增加了多个数据采集节点，各节点均带RS485通信接口，采用被动数据采集模式与 Modbus RTU（除图像采集节点外）通信规约。数据采集时，闸门控制与保护信号（如开度仪输出信号）尽量保证实时性，其他信号采用分时或闸门启动前后进行采集的方式。

图1 系统结构框图

（1）三相电压、电流数据采集节点。选用HXYBU／I-X4系列三相数显式电压、电流表，通过面板可设置CT、PT的参数，适应不同的互感器参数要求。

（2）图像采集节点。选用ZM-CAM串口摄像头，支持夜视拍摄，数据通信采用命令、应答、数据3种帧结构，采用512字节分包传输方式。115 200波特率、60×120图像分辨率时的图像传输速度可达4 fps。其图像拍摄有200 ms的延时，采用启动拍摄与获取图像数据分时处理的方式。

（3）环境温湿度采集节点。选用SM1810B温湿度传感器，测温范围－40～＋123.8℃，测温精度±0.5℃，测湿范围0～100%RH，测湿精度±4.5%RH。配置2个采集节点，1个用于测量闸门控制柜内的温湿度，1个用于测量室内环境温湿度。

（4）水文监测节点。根据监测的水源环境水位监测可以选择浮子式、超声波、压力式水位传感器，如UTG21-B超声波液位计、PTH601压力式水位传感器。流量选用MLF-900堰槽式明渠流量计。雨量监测选用LVYLZ31型雨量传感器。

2 布线规范

RS485总线在实际应用中单元数量较多，分布较广，现场存在各种干扰，因此下面的布线问题十分关键。

2.1 总线结构

采用手拉手式的总线结构（不能用星型和分叉连接）。如图1中RS485转RS232模块的A、B端先引线至采集节点1的A、B端，再从采集节点1的A、B端引线至采集节点2的A、B端，最后从开度仪的A、B端引线至PLC的A、B端。

2.2 终端电阻选择

对于双绞线组成的RS485网络，终端电阻有两个，分别位于双绞线的两端，目的是消除由于传输线即双绞线特性阻抗不连续而带来的反射信号，在短距离或低波特率数据传输时可不需终端匹配电阻。终端电阻的阻值应等于双绞线的特性阻抗（可由生产厂商提供），阻抗120Ω的双绞线，两终端匹配电阻为120Ω。

2.3 偏置电阻配置与计算

如果RS485总线处于空闲状态，总线电平处在－200～＋200 m V之间时（如较小的反射干扰信号），会误认为通信帧的起始位而引起通信不正常，传统的做法是给总线加偏置。

对于多数据采集的闸门控制系统来说，各RS485节点由不同的厂家生产，为方便偏置电阻的配置与计算，在订购产品时，要求生产厂家在其产品中不加偏置电阻，采用在节点外进行集中配置的方式。图2为偏置电阻计算原理图。R1＝R2为偏置电阻，RZ1、RZ2为终端电阻，R11、R12、R1N为各节点的负载阻抗，一般为各节点所用485芯片的负载阻抗，如MAX485芯片的负载阻抗一般为12 kΩ，可由厂商提供。空闲时A、B之间的偏置电压可设在250～300 mV之间，太高需减小偏置电阻，以免节点通信时A、B二线的灌、拉电流增大。确定A、B间的偏置电压、各节点的负载阻抗，便可根据图2计算出R1、R2偏置电阻大小。

图2 偏置电阻计算原理图

3 开关信号数据采集器

目前普遍使用的浮子式机械编码水位传感器、雨量传感器多为开关量输出信号，不带RS485接口，为此专门开发了开关信号数据采集器。采集器采用了STC12C5A60S2单片机，具有60 kB的程序空间，36个I／O口，内置硬件看门狗，有较强的抗干扰能力。

3.1 开关信号数据采集

浮子式机械编码水位传感器（如WFH2）采用12位机械格雷码输出，其12位编码用3片TL521-4光电耦合器件（每片内含4路光耦）隔离后加到单片机P0.0～P0.7、P1.0～P1.3共12个口线进行数据采集。一位编码的光电隔离线路原理如图3所示。光耦隔离输入回路采用闸门电气控制回路的＋24 V辅助工作电源，输出回路采用数据采集器的＋5 V工作电源，2路电源在电气上隔离。

图3 一位编码(开关信号)光电隔离原理图

雨量传感器常用干簧继电器产生脉冲信号，每个脉冲信号表示0.1 mm或0.5 mm或1 mm降雨量。脉冲信号同样经TL521-4光耦隔离，接至单片机的P3.4（T0）口线，由单片机的16位计数器对脉冲信号进行累计计数。原理图也如图3所示，K表示干簧继电器。

采集器还预留8路开关信号采集线路，可用作如电气控制动作等开关信号的采集。原理图也如图3所示，K表示开关信号。

3.2 RS485通信接口线路

数据采集器采用MAX485通信接口线路，MAX485的RO、DI、RE和DE（连接在一起）端经高速光耦6N137隔离后分别接单片机的P3.0（RXD）、P3.1（TXD）、P3.5口线。数据采集器的＋5 V电源经DC-DC隔离后，为光耦输入回路及MAX485提供＋5 V电源，实现单片机与MAX485之间的电气隔离。